Материалы, которые одновременно прочны и легки, могли бы улучшить все — от автомобилей до бронежилетов. Но обычно эти два качества взаимоисключают друг друга. Теперь исследователи из Университета Коннектикута и их коллеги разработали необычайно прочный и легкий материал, используя два маловероятных строительных блока: ДНК и стекло.
«При заданной плотности наш материал является самым прочным из известных», — говорит Сок-Ву Ли, специалист по материаловедению в UConn. Ли и его коллеги из Калифорнийского университета, Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили подробности 19 июля в журнале Cell Reports Physical Science.
Сила относительна. Железо, например, выдерживает давление в семь тонн на квадратный сантиметр. Но он также очень плотный и тяжелый, весом 7,8 грамма на кубический сантиметр. Другие металлы, такие как титан, прочнее и легче железа. А некоторые сплавы, сочетающие в себе несколько элементов, еще прочнее. Прочные и легкие материалы позволили создать легкие бронежилеты, более совершенные медицинские приборы и сделали автомобили и самолеты более безопасными и быстрыми.
Например, самый простой способ увеличить запас хода электромобиля — это не увеличивать аккумулятор, а скорее сделать сам автомобиль легче, не жертвуя безопасностью и сроком службы. Но в последние годы традиционные металлургические технологии достигли предела, и ученым-материаловедам пришлось проявить еще больше изобретательности для разработки новых легких высокопрочных материалов.
Теперь Ли и его коллеги сообщают, что, построив структуру из ДНК и затем покрыв ее стеклом, они создали очень прочный материал с очень низкой плотностью. Стекло может показаться удивительным выбором, так как оно легко разбивается вдребезги. Однако стекло обычно разбивается из—за дефекта — такого как трещина, царапина или недостающие атомы — в его структуре. Безупречный кубический сантиметр стекла выдерживает давление в 10 тонн, что более чем в три раза превышает давление, при котором в прошлом месяце взорвался подводный аппарат Oceangate Titan рядом с «Титаником».
Очень трудно создать большой кусок стекла без изъянов. Но исследователи знали, как сделать очень маленькие безупречные кусочки. Пока толщина стекла меньше микрометра, оно почти всегда безупречно. А поскольку плотность стекла намного ниже, чем у металлов и керамики, любые конструкции, изготовленные из безупречного наноразмерного стекла, должны быть прочными и легкими.
Команда создала структуру из самособирающейся ДНК. Почти как магниты, фрагменты ДНК определенной длины и химического состава соединяются друг с другом, образуя каркас материала. Представьте себе каркас дома или сооружения, но сделанный из ДНК.
Олег Ганг и Аарон Микельсон, ученые по наноматериалам из Колумбийского университета и Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов, затем покрыли ДНК очень тонким слоем стеклообразного материала толщиной всего в несколько сотен атомов. Стекло лишь слегка покрывало нити ДНК, оставляя большую часть объема материала в виде пустого пространства, очень похожего на комнаты внутри дома или сооружения.
Каркас ДНК укрепил тонкое, безупречное покрытие стекла, сделав материал очень прочным, а пустоты, составляющие большую часть объема материала, сделали его легким. В результате стеклянные нанорешеточные структуры обладают в четыре раза большей прочностью, но в пять раз меньшей плотностью, чем стальные. Такое необычное сочетание легкости и высокой прочности никогда ранее не достигалось.
«Возможность создавать спроектированные трехмерные каркасные наноматериалы с использованием ДНК и минерализовать их открывает огромные возможности для разработки механических свойств. Но все еще необходима большая исследовательская работа, прежде чем мы сможем использовать это как технологию», — говорит Ган.
В настоящее время команда работает с той же структурой ДНК, но заменяет стекло еще более прочной карбидной керамикой. У них есть планы поэкспериментировать с различными структурами ДНК, чтобы увидеть, какая из них делает материал более прочным.
Материалы будущего, основанные на этой же концепции, имеют большие перспективы в качестве энергосберегающих материалов для транспортных средств и других устройств, в которых приоритет отдается прочности. Ли считает, что наноархитектура ДНК-оригами откроет новый путь для создания более легких и прочных материалов, о которых мы раньше и не подозревали.
«Я большой поклонник фильмов о Железном человеке, и мне всегда было интересно, как создать лучшую броню для Железного человека. Должно быть, он очень легкий, чтобы лететь быстрее. Она должна быть очень прочной, чтобы защитить его от нападений врагов. Наш новый материал в пять раз легче, но в четыре раза прочнее стали. Таким образом, наши стеклянные нанорешетки были бы намного лучше любых других конструкционных материалов для создания улучшенной брони для Железного человека».
More information: Aaron Michelson et al, High-strength, lightweight nano-architected silica, Cell Reports Physical Science (2023). DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475
Provided by University of Connecticut